Efek triboelektrik dan nanogenerator TENG

Efek triboelektrik adalah fenomena munculnya muatan listrik pada beberapa material ketika saling bergesekan. Efek ini pada dasarnya adalah manifestasi kontak elektrifikasi, yang telah dikenal umat manusia sejak zaman kuno.

Bahkan Thales of Miletsky mengamati fenomena ini dalam percobaan dengan tongkat amber yang digosok dengan wol. Ngomong-ngomong, kata "listrik" sendiri berasal dari sana, karena diterjemahkan dari bahasa Yunani, kata "elektron" berarti ambar.

Bahan yang dapat menunjukkan efek triboelektrik dapat diatur dalam urutan yang disebut triboelektrik: kaca, plexiglass, nilon, wol, sutra, selulosa, kapas, amber, poliuretan, polistiren, Teflon, karet, polietilen, dll.

Di awal baris ada materi "positif" bersyarat, di akhir - "negatif" bersyarat. Jika Anda mengambil dua bahan dengan urutan ini dan menggosokkannya satu sama lain, maka bahan yang lebih dekat ke sisi "positif" akan bermuatan positif dan yang lainnya bermuatan negatif. Untuk pertama kalinya, deret triboelektrik disusun pada tahun 1757 oleh fisikawan Swedia Johann Carl Wilke.

Dari sudut pandang fisik, salah satu dari dua bahan yang saling bergesekan akan bermuatan positif, yang berbeda satu sama lain dengan konstanta dielektriknya yang lebih besar. Model empiris ini disebut aturan Cohen dan terutama dikaitkan dengan untuk dielektrik.

Ketika sepasang dielektrik yang identik secara kimia bergesekan satu sama lain, yang lebih padat akan memperoleh muatan positif. Dalam dielektrik cair, suatu zat dengan konstanta dielektrik yang lebih tinggi atau tegangan permukaan yang lebih tinggi akan bermuatan positif. Logam, di sisi lain, ketika digosokkan ke permukaan dielektrik, dapat dialiri listrik secara positif dan negatif.

Tingkat elektrifikasi benda yang bergesekan satu sama lain lebih signifikan, semakin besar luas permukaannya. Gesekan debu pada permukaan benda yang memisahkannya (kaca, marmer, debu salju, dll.) Bermuatan negatif. Saat debu diayak melalui saringan, partikel debu juga terisi.

Efek triboelektrik dalam padatan dapat dijelaskan sebagai berikut. Pembawa muatan bergerak dari satu tubuh ke tubuh lainnya. Dalam semikonduktor dan logam, efek triboelektrik disebabkan oleh pergerakan elektron dari material dengan fungsi kerja yang lebih rendah ke material dengan fungsi kerja yang lebih tinggi.

Ketika dielektrik bergesekan dengan logam, elektrifikasi triboelektrik terjadi karena transisi elektron dari logam ke dielektrik. Ketika sepasang dielektrik bergesekan, fenomena tersebut terjadi karena penetrasi timbal balik dari ion dan elektron yang sesuai.

Kontribusi yang signifikan terhadap tingkat keparahan efek triboelektrik dapat berupa derajat pemanasan benda yang berbeda dalam proses gesekannya satu sama lain, karena fakta ini menyebabkan perpindahan pembawa dari ketidakhomogenan lokal dari zat yang lebih panas - "benar" triboelektrik. Selain itu, penghilangan mekanis elemen permukaan individu piezoelektrik atau piroelektrik dapat menyebabkan efek triboelektrik.

Diterapkan pada cairan, manifestasi efek triboelektrik terkait dengan munculnya lapisan ganda listrik pada antarmuka antara dua media cair atau pada antarmuka antara cairan dan padatan.Ketika cairan bergesekan dengan logam (selama aliran atau benturan percikan), triboelektrik terjadi karena pemisahan muatan pada antarmuka antara logam dan cairan.

Elektrifikasi dengan menggosok dua dielektrik cair disebabkan oleh adanya lapisan ganda listrik pada antarmuka antara cairan yang konstanta dielektriknya berbeda. Seperti disebutkan di atas (menurut aturan Cohen), cairan dengan konstanta dielektrik yang lebih rendah bermuatan negatif, dan cairan dengan konstanta dielektrik yang lebih tinggi bermuatan positif.

Efek triboelektrik ketika memercikkan cairan akibat tumbukan pada permukaan dielektrik padat atau pada permukaan cairan disebabkan oleh penghancuran lapisan ganda listrik pada batas antara cairan dan gas (elektrifikasi di air terjun terjadi justru dengan mekanisme ini) .

Meskipun triboelektrik menyebabkan dalam beberapa situasi akumulasi muatan listrik yang tidak diinginkan dalam dielektrik, seperti pada kain sintetis, efek triboelektrik tetap digunakan saat ini dalam studi spektrum energi perangkap elektron dalam padatan, serta dalam mineralogi untuk mempelajari pusat luminescent. , mineral, menentukan kondisi pembentukan batuan dan umurnya.

nanogenerator triboelektrik TENG

Sepintas, efek triboelektrik tampak lemah secara energetik dan tidak efisien karena kerapatan muatan listrik yang rendah dan tidak stabil yang terlibat dalam proses ini. Namun, sekelompok ilmuwan di Georgia Tech telah menemukan cara untuk meningkatkan karakteristik energi dari efek tersebut.

Metodenya adalah dengan membangkitkan sistem nanogenerator ke arah daya keluaran tertinggi dan paling stabil, seperti yang biasanya dilakukan sehubungan dengan generator induksi tradisional dengan eksitasi magnetik.

Dalam hubungannya dengan skema perkalian tegangan hasil yang dirancang dengan baik, sistem dengan eksitasi muatan sendiri eksternal mampu menunjukkan kerapatan muatan lebih dari 1,25 mC per meter persegi. Ingatlah bahwa daya listrik yang dihasilkan sebanding dengan kuadrat dari besaran yang diberikan.

Perkembangan para ilmuwan membuka prospek nyata untuk pembuatan nanogenerator triboelektrik praktis dan berkinerja tinggi (TENG, TENG) dalam waktu dekat untuk mengisi daya elektronik portabel dengan energi yang diperoleh terutama dari gerakan mekanis harian tubuh manusia.

Nanogenerators berjanji untuk memiliki bobot yang rendah, biaya rendah, dan juga akan memungkinkan Anda untuk memilih bahan-bahan yang paling efektif dihasilkan pada frekuensi rendah urutan 1-4 Hz untuk kreasi mereka.

Sirkuit dengan pemompaan muatan eksternal (mirip dengan generator induksi dengan eksitasi eksternal) dianggap lebih menjanjikan saat ini, ketika sebagian dari energi yang dihasilkan digunakan untuk mendukung proses pembangkitan dan meningkatkan kepadatan muatan yang bekerja.

Seperti yang dipahami oleh para pengembang, pemisahan kapasitor generator dan kapasitor eksternal akan memungkinkan pembangkitan yang menarik melalui elektroda eksternal tanpa secara langsung mempengaruhi lapisan triboelektrik.

Muatan tereksitasi disuplai ke elektroda TENG nanogenerator (TENG) utama, sedangkan sistem eksitasi muatan dan TENG beban keluaran utama bekerja sebagai sistem independen.

Dengan desain modul eksitasi muatan yang rasional, muatan yang terakumulasi di dalamnya dapat diisi ulang dengan umpan balik dari TENG itu sendiri selama proses pelepasan. Dengan cara ini, eksitasi diri TENG tercapai.

Selama penelitian, para ilmuwan mempelajari efek efisiensi pembangkitan berbagai faktor eksternal, seperti: jenis dan ketebalan dielektrik, bahan elektroda, frekuensi, kelembaban, dll. Pada tahap ini, lapisan triboelektrik TENG mencakup film kapton dielektrik polimida dengan ketebalan 5 mikron , dan elektroda terbuat dari tembaga dan aluminium.

Pencapaian saat ini adalah bahwa setelah 50 detik beroperasi pada frekuensi hanya 1 Hz, muatan dieksitasi dengan cukup efisien, yang memberikan harapan untuk pembuatan nanogenerator stabil dalam waktu dekat untuk aplikasi yang luas.

Dalam struktur TENG dengan eksitasi muatan eksternal, pemisahan kapasitansi generator utama dan kapasitor beban keluaran dicapai dengan memisahkan tiga kontak dan menggunakan film isolasi dengan karakteristik dielektrik yang berbeda untuk mencapai perubahan kapasitansi yang relatif besar.

Pertama, muatan dari sumber tegangan disuplai ke TENG utama, pada kapasitansi yang tegangannya terbentuk saat perangkat berada dalam keadaan kontak kapasitansi maksimum. Segera setelah kedua elektroda terpisah, tegangan meningkat karena penurunan kapasitansi dan muatan mengalir dari kapasitor dasar ke kapasitor penyimpan hingga keadaan kesetimbangan tercapai.

Dalam keadaan kontak berikutnya, muatan kembali ke TENG utama dan berkontribusi pada pembangkitan energi, yang akan semakin besar dengan semakin tinggi konstanta dielektrik film di kapasitor utama. Pencapaian level tegangan desain dilakukan dengan menggunakan diode multiplier.